现场总线技术及其在电力系统中的应用

1　引言 　　现场总线技术是20世纪80年代后期发展起来的一种基于现场设备之间进行通讯的新型总线系统，它综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字-模拟信号控制的局限性，构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多节点的通信与控制系统。现场总线则是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，其基础是智能仪表。分散在各个工业现场的智能仪表通过数字现场总线连为一体，并与控制室中的控制器和和监视器一起构成现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）。通过遵循一定的国际标准，可以将不同厂商的现场总线产品集成在同一套FCS中，具有互换性和互操作性。FCS把传统DCS的控制功能进一步下放到现场智能仪表，由现场智能仪表完成数据采集、数据处理、控制运算和数据输出等功能。现场仪表的数据（包括采集的数据和诊断数据）通过现场总线传送到控制室的控制设备上，控制室的控制设备用来监视各个现场仪表的运行状态，保存智能仪表上传的数据，同时完成少量现场仪表无法完成的高级控制功能。另外，FCS还可以通过网关和企业的上级管理网络相连，以便管理者掌握第一手资料，为决策提供依据。所以现场总线具有开放性、互操作性、系统结构的高度分散性、灵活的网络拓扑结构、现场设备的高度智能化、对环境的高度适应性等诸多突出特点。尽管目前对现场总线的研究尚未能形成一个完善的统一标准，但现场总线的高性能价格比将吸引众多工业控制系统采用。 2 Profibus的功能特点 　　目前现场总线产品有多种，其中Profibus是由西门子公司提出并极力倡导，已经先后成为德国国家标准DIN19245和欧洲标准EU50170，是一种开放而独立的现场总线标准，其协议结构是以ISO 7498国际标准开放系统互联OSI（Open System Interconnection）参考模型为基础，在机械制造、工业过程控制、智能建筑中充当通信网络。Profibus由Profibus-PA、Profibus-DP和Profibus-FMS三个系列组成。Profibus-PA（Process Automation）用于过程自动化中的传感器和执行器等的低速数据传输。Profibus-DP （Distributed Peripherals）和Profibus-PA兼容，使用了第一层、第二层和用户接口，第三层到第七层未加定义，这种流体型结构确保了数据传输的快速而有效地进行，直接数据链路映象（Direct Data Link Mapper—DDLM）使用户接口易于进入第二层。用户接口规定了用户及系统以及不同设备可调用的系统功能，并详细说明了各种不同Profibus-DP设备的设备行为，还提供了传输可选用的RS-485传输技术或光纤传输技术。Profibus-DP是一种高速而廉价的通信连接，可实现高速数据传输，适用于自动控制系统和在设备级分散的I/O之间的通信，可代替24V和0~20mA的并行信号。Profibus-FMS（Fieldbus Message Specification）用来解决车间级通用性的通信任务。后两个系列采用RS-485通信标准，通常称之为H2，传输距离和传输速率的关系如表1所示。介质存取控制的基本方式为主站之间的令牌方式和主站与从站之间的主从方式，以及综合这两种方式的混合方式。不带中继器时每个分段最多32个站，带中继器时最多127个站，插头连接器一般采用9针D型插头。Profibus-DP现场总线系统以其高速和便宜的通讯连接特性在工业自动化领域得到了广泛的应用。 　　西门子公司的Profibus-DP现场总线具有通讯速度高、配套产品种类齐全、支持协议的其他设备厂家数量众多等优势。西门子公司的ET 200大家族中的新一代分布式I/O系统ET 200S就是基于Profibus-DP现场总线的产品。ET 200S是PROFIBUS-DP中高性能的分布式I/O通信接口模块，有种类丰富的各种子模块，如开关量输入/输出模块、模拟量输入/输出模块、热电偶模块、热电 阻模块、100kHz 24V计数模块、编码器接口模块、步进/脉冲输出模块等，把各种开关量和模拟量接入到PROFIBUS-DP中。通过将电子模块与负载馈电器和安全技术加以结合，以及系统的离散式设计使ET 200S在现场应用中能适用于更多有不同功能要求的场合。一个ET 200S站最多可连接64个模块，数据输入/输出最多可达到128字节。 3 系统构成原理 　　工业配电对于工业企业的电网质量和生产的可靠运行至关重要，并对计划用电、节约用电有着重要意义。基于现场总线的工业配电计算机监测分析网络系统即采用这种性能价格比很高的现场总线技术构成实时状态监测网络系统，其系统构成灵活简单，连线极少，抗干扰能力强，适应性好，易于维护，具有数据处理、分析、运行监测、录波和打印等功能，同时对原有设备未作太多的改动，实用性和可扩展性极强。 　　本工业配电监测系统是对大中型企业的配电间进行监测。配电间内设有多个配电屏（本系统中为16个），每个配电屏可对一部分用电地区进行停、送电控制，用电状态可通过安装在配电屏内的电压、电流互感器间接测量和评估。配电间管理所要监测的主要参数为配电系统的运行状态信息（配电系统的母排电压、电流及功率）以及结构状态信息（断路器、隔离开关和保护继电器等的合、分状态）。根据上述要求，本系统在保证系统可靠工作和降低成本的条件下，考虑到通用性、实时性和可扩展性等方面的因素，采用了主要由上位计算机系统、PLC和ET 200S模块构成的系统结构。上位计算机系统由通用个人计算机以及接通至通用PC机内部的现场总线通信接口适配卡组成。上位计算机系统负责系统的总体调度，通过PLC向网络节点发送命令，接收节点数据，并对节点信息加以分析、存储、显示及打印，具体的数据采集和控制由系统中的PLC借助于现场总线接口模块ET 200S完成，各个模拟量和开关量信号都由ET 200S模块输入或输出。系统的构成如图1所示。 4 系统软件设计和数据分析 　　控制系统在Win98环境下运行，组态软件为Kingview5.0。系统利用组态软件Kingview5.0的驱动程序与下位S7-300 PLC进行数据通讯，包括数据采集和发送数据/指令；下位S7-300 PLC则通过 MPI卡与上位计算机交换数据，每一个驱动程序都是一个COM对象，这种方式使通讯程序和组态软件构成一个完整的系统，保证了系统高效率地运行。 　　系统监控操作画面多达十多屏，包括方便人工操作的监控画面和为软件工程师提供接口的整定画面、形象直观的模拟画面、易于统计抄表的参数画面、便于追查事故原因的历史趋势画面、提供技术分析信息的实时曲线画面等等。 　　画面分为操作员画面和工程师画面两大类。操作员画面向操作人员提供了各种数据、曲线、功能键，显示内容丰富鲜明，操作简捷可靠。系统中画面的组态编制有很多新颖之处，在整个系统的各个控制点均有相应的采集数字显示，真实的反映了各个控制点的瞬时值，总之，画面中主体设备位置确切，工作状态形象生动，各种参数“就地显示”，整个系统运行工况集于一屏，一目了然，是为操作员、技术员所喜爱的主画面之一。 　　工程师画面为软件工程师提供了进行系统整定的良好界面，是工程师在调节中进行参数修改和设定的重要环境，也是自控系统的核心。 　　故障录波是对信号进行高速采样，并利用采样数据绘制信号曲线，以便了解信号的变化情况，预测信号的变化趋势，是电力系统中监测信号的常用办法。 　　本系统中要求对零序电流及三相电压信号进行故障录波。录波信号的模/数转换采用A/D转换模块完成，以提高系统可靠性，减小体积。在整个软件系统中，数据处理模块负责对网络节点数据作快速傅利叶变换（FFT）和数据分析，及绘制电流，电压的变化曲线。对于离散的时间信号，其FFT正、反变换分别为： 　　由上式可知，每一个蝶型运算都需要两个输入数据，计算结果也是两个数据，与其它结点数据无关。这样一次计算后输入数据就可放弃，减少了对内存的占用，提高了计算速度。 　　正常的正弦波经FFT正变换为两个对称的最大谱线，反变换后可以完全恢复原始信号；而带干扰的正弦波经FFT正变换后，除两个对称的最大谱线外，干扰信号的其它谱线也存在，据此可断定干扰的存在。反变换后可确定干扰信号的位置，并发出采取相应措施的指令，启动执行机构或保护装置。 5 结束语 　　本系统的最大特点就是采用现场总线技术，系统结构简洁灵活，可靠性高且安装调试简单，根据不同的现场情况与用户要求，本系统可扩展为不同的模式。除对高压配电盘上的模拟量和开关量进行监测外，也可用于对某些重要的低压配电和低压电机等电器设备运行状态的监测和控制。 　　现场总线不单单是一种通信技术，也不仅仅是用数字仪表代替模拟仪表，关键是用新一代的现场总线控制系统FCS（Field Bus Control System）代替传统的集散控制系统DCS（Distributed Control System），实现现场通信网络与控制系统的集成。其本质即要实现在现场通信网络、现场设备互连、互操作性、分散功能块、通信线供电、开放式互连网络等功能。这也为工厂生产的全面自动化和远程控制奠定了基础。西门子Profibus-DP现场总线及ET 200系列分布式I/O的使用降低了系统设计、制造、安装、维护的成本，易于扩展，可有效提高生产效率和产品质量，是工业过程自动控制系统的发展趋势。尤其是ET 200S及PROFIBUS-DP网的成功使用，引起了越来越多企业的关注，具有广阔的应用推广前景。 参考文献 1.PROFIBUS & AS-Interface STPI.SIEMENS，1999。 2.Micheal Volz.PROFIBUS Technology Manual。 3.阳宪惠.现场总线技术和应用.北京：清华大学出版社，1999。 4.李国厚.现场总线技术与计算机控制.PLC&FA，2000.2